PCB 1.2 (Deutsch)
Diese Seite beschreibt,wie die Ardumower Hauptleiterplatte aufgebaut wird, wie das Programm auf den Arduino aufgespielt wird, und wie man den Mähroboter konfiguriert.
Inhaltsverzeichnis
Benötigte Module für den Ardumower
Alle Module und Teile können über den Shop bezogen werden.
Was wird für den Aufbau eines Ardumowers alles benötigt:
- Wichtige Module dazu wählen:
- Optionale Module:
PCB
Kernstück der Steuerung ist ein fertiges Microcontroller-Modul (Arduino Mega 2560 verwendet 54 I/O pins).
Hauptleiterplatte
Die Leiterplatte wurde mit folgenden Parametern entwickelt:
- LP Abmessungen 241x114mm
- Alle Module (Motortreiber, Bluetooth, usw.) können auf die Leiterplatte gelötet (oder gesteckt) werden (Modules sind im Ardumower-Shop verfügbar)
- Verwendet den Arduino Mega 2560
- Optional: kann der Arduino Due mittels zusätzlicher LP-Adapter verwendet werden
- Optional: integrierter Ladestromkreis (Strombegrenzung)
- alle Verbindungen, einschliesslich +5V und GND, sind über Steckverbinder realisiert
- Max. Strombelastung der Leiterbahnen (für Motoren): 8A
PCB Bauanleitung
Roboterplatine v0.5 (1. Prototyp, bitte nicht mehr verwenden)
Roboterplatine v1.2 (geringe Layoutänderungen)
- Schaltpläne
- Photos
- Bauanleitung
- WorkaRound20150527
- WorkaRound20150530
- siehe auch: Dokumentationen im Github
12V/24V: Die Platine ist für 24V ausgelegt worden. Für 12V müssen einige wenige Sachen geändert werden auf der 1.2 Platine:
- R2 Vorwiderstand „Led Betriebsspannung“ muss bei 12V auf 560OHm angepasst werden
- R11 Vorwiderstand“StationsLED „ muss bei 12V auf 560OHm angepasst werden
- und man benötigt noch statt den 24V Relais ein 12V Relais.
Bemerkung: Das Schaltbild und die Platinen-Zeichnungen wurden mit KiCad entwickelt. Sie können hier heruntergeladen github und damit bearbeitet werden KiCAD software.
PCB Bauanleitung Videos
- Widerstände
- Dioden und Relais
- Elkos und Transistoren
- Piezo Buzzer und Sicherung
- Stiftleisten
- DC/DC Wandler
- RTC-Modul
- Dual MC33926
- INA169
- Akku & Ladegerät
Leiterplatten Jumper
Wenn benutzt... | ...JA | ...NEIN | Kommentar |
---|---|---|---|
integrierter Laderegler mit einstellbarem
Spannungsregler (LM350T) mit Potentiometer für einstellbare Ladespannung (empfohlen: Nein) |
D7: DIODE
D3: DIODE C1, C4, U4, RV1: verwendet |
D7: brücken
D3: brücken C1, C4, U4, RV1: nicht verwendet |
Bei externem Ladegerät nicht verwenden |
externe Stromversorgung währen des Ladens (empfohlen: Nein) | JP6: geschlossen
JP7: offen D4: DIODE C5: nicht verwendet |
JP6: offen
JP7: geschlossen D4: brücken C5: verwendet |
um Platine von aussen mit Strom zu versorgen (trennt Akku von Platine) während des Ladens |
von Arduino gesteuertes Laderelais (empfohlen: ja) | JP4: geschlossen
JP5: offen |
JP4: offen
JP5: geschlossen |
verwendet für vom Arduino gesteuertem Laderelais (keine automatische Ladung) |
Arduino Due (3.3V I/O) | LP0, ..., LP15: offen | LP0, ..., LP15: geschlossen | Nicht verwenden bei Arduino Mega |
Bluetooth VCC=3.3V | JP8: offen
JP9: geschlossen |
JP8: geschlossen
JP9: offen |
viele neuere Module laufen mit 3.3V |
Bluetooth Programmier-Modus | JP2: geschlossen | JP2: offen | verwendet für Programmierung der BAUD-Rate usw. |
Leiterplatten-Module
Module | Feature | Pinout | Optional | Comment |
---|---|---|---|---|
U1 | DC/DC Wandler (10V) | GND, Vout, Vin, GND | Nein | |
U2 | Bluetooth (HC-05) | VCC, GND, TXD, RXD, Key, LED | Ja | |
U3 | Stromsensor (Ladestrom) | VCC, GND, OUT, IP+, IP-5 | Ja | |
U4 | Laderegler (LM350T) | AJD, OUT, IN | Ja | |
U5 | Stromsensor (währen des Ladens) | VCC, GND, OUT, IP+, IP-5 | Ja | |
U6 | DC/DC Wandler (3.3V) | GND, Vout, Vin, GND | Nein | |
U7 | DC/DC Wandler (5V) | GND, Vout, Vin, GND | Nein | |
U8 | Echtzeituhr (DS1307) | Batt, GND, VCC, SDA, SCL, DS, SQ | Ja | |
U9 | WLAN (ESP8266) | TX, CH_PD, Reset, VCC, GND, GP_IO2, GP_IO0, RX | Ja | |
U10 | Pegelwandler 5V->3V (Arduino Due) | Ja | ||
U11 | WLAN(ESP8266) | TX, CH_PD, Reset, VCC, GND, GP_IO2, GP_IO0, RX | Ja | alternative Montageposition |
Leiterplatten Steckverbinder
Connector | Feature | Pinout | Optional | Comment |
---|---|---|---|---|
P1 | Sonar mitte (HC SR-04) | 5V, GND, Trigger, Echo | ja | |
P2 | Sonar rechts (HC SR-04) | 5V, GND, Trigger, Echo | ja | |
P3 | Sonar links (HC SR-04) | 5V, GND, Trigger, Echo | ja | |
P4 | reserviert | ja | ||
P5 | IMU (gyro,acceleration,compass) (GY-80) | ja | ||
P6 | Rasensensor | ja | ||
P7 | Status LEDs | ja | ||
P8 | Odometrie rechts | ja | ||
P9 | Odometrie links | ja | ||
P10 | GPS (GY-NEO6MV2) | ja | ||
P11 | Bumper | GND, GND, rechts, links | ja | |
P12 | Perimeter-Empfänger (mitte oder links) | 5V, GND, perimeter | ja | |
P13 | R/C Fernsteuerung | 5V, GND, mow, steer, speed, switch | ja | |
P14 | Messpunkte | 5V, GND, (abhängig von JP15: 3.3V, 5V or Arduino 3.3V) | ja | |
P15 | Antriebsmotor links | M1OUT1, M1OUT2 | Nein | |
P16 | Optionaler Motortreiber-Eingang | ja | nicht verbinden | |
P17 | Optionaler Motortreiber-Eingang | ja | nicht verbinden | |
P18 | Antriebsmotor rechts | M2OUT1, M2OUT2 | Nein | |
P19 | Neigungssensor | 5V, GND, tilt | ja | |
P20 | Taster (Start/Stop) | Nein | ||
P21 | Absturzsensor rechts | ja | ||
P22 | reserviert | ja | ||
P23 | reserviert | ja | ||
P24 | reserviert | ja | ||
P25 | reserviert | ja | ||
P26 | reserviert | ja | ||
P27 | reserviert | ja | ||
P28 | reserviert | ja | ||
P29 | reserviert | ja | ||
P30 | Perimeter-Empfänger rechts | ja | ||
P31 | Absturzsensor links | ja | ||
P32 | GND | ja | ||
P33 | 5V | ja | ||
P34 | 3.3V | ja | ||
P35 | Mähmotor Drehzahl | ja | ||
P36 | reserviert | ja | ||
P37 | Mähmotor | Nein | ||
P38 | reserviert | ja | ||
P39 | reserviert | ja | ||
P40 | User switches | ja | ||
P41 | Regensensor | ja | ||
P42 | Ladeanschluss | ja | ||
P43 | Akku (24V) | Nein | ||
P44 | WLAN Modul (ESP8266) | ja | ||
P45 | reserviert | ja | ||
P46 | reserviert | ja |
Stromversorgung
Bitte lies auch den Abschnitt 'Spannungen' unter Motor-Treiber für mehr Informationen über die Motorspannung
Empfehlenswert ist die Verwendung von Step down Spannungswandlern (d.h. Module verwenden LM2596) um die 5V Spannung für den Arduino und alle zusätzlichen Module zu erzeugen. vor der Verbindung mit der Schaltung (Jumper), stelle den Wandler auf 5V ein, dann erst den Jumper schliessen.
Warnung : niemals mehr als 5V an die Arduino 5V pins anlegen, das würde den Arduino zerstören. Deshalb, immer die 5V messen bevor die Verbindung zum 5V Pin des Arduino erfolgt! Alle Komponenten zusammen (wie im Schaltbild gezeigt) benötigen ca. 5W Leistung.
Motoren
Das Ardumower- Design verwendet zwei verschiedene Typen von Motoren. Alle Motoren können im Shop ) erworben werden:
- Zwei Getriebemotoren als Antriebe (Radmotoren) mit eingebautem Encoder (für Weg- und Geschwindigkeitssteuerung)
- einen Motor (mit hoher Drehzahl) zum Mähen (Mähmotor)
Zur Steuerung der Motoren sind Motortreiber erforderlich. Desweiteren messen wir den Motorstrom mit dem Motortreiber. Dies erlaubt uns, Hindernisse zu detektieren, da der Motorstrom bei Hindernissen ansteigt. Ardumower verwendet zwei Dual MC33926 Motortreiber. Zwei Kanäle für linker und rechter Motor und zwei Kanäle (parallel geschaltet) für den Mähmotor.
Es ist nicht empfehlenswert die Motoren direkt an die Motortreiber anzuschliessen, da gerade beim schnellen Wechsel von Vor- und Rückwärtsfahren (bzw. umgekehrt) hohe Spannungsspitzen auftreten und diese können die Motortreiber auf lange Sicht bestädigen. Daher verwenden wir ein Protector Board zwischen Motortreiber und Motoren.
Spannungen
Der Ardumower verwendet wie alle modernen Systeme 24V Motoren.
Bauanleitung Motortreiber (MC33926)
Eigenschaften des Motortreibers: bis zu 3A, mit integriertem Stromsensor und Thermoschutz
Hier findest Du eine Anleitung wie der Motortreiber auf das PCB gesetzt wird.
Für Verkabelung von Motortreiber, Protector PCB und Motoren bitte die Anleitung im Abschnitt "Protector PCB" öffnen.
Protector PCB
Protektorboard: Bei 24V Systemen kommt es zu Spannungsspitzen, die den Motortreiber schnell zerstören können. Daher wurde das Protektorboard entwickelt um dies zu verhindern. Es werden 2 Stück benötigt. Einen für die Antriebsräder und einen für den Mähmotor. Schaden kann das Protektorboard auf keinen Fall.
Anschluss Radmotoren
Die beiden Getriebemotoren werden unabhängig voneinander gesteuert ('Differentialantrieb') :
- Fahren vorwärts/rückwärts
- Lenken links/rechts
Die Eigenschaften der Ardumower - Radmotoren:
- Eine Drehzahl bis zu 31 U/min erlaubt es, den Roboter mit einer ausreichenden Geschwindigkeit von bis zu (Meter/sec = 31rpm/60 * PI * 0.25m = 0.4m/sec) bei Verwendung von Rädern mit 250 mm Durchmesser, zu bewegen.
- ein hohes Drehmoment (2.45 Nm) garantiert, dass der Roboter kleinere Hügel erklimmen kann (mit 2 Motoren, 250 mm Rädern, 31 U/min = 0.4m/s, Beschleunigung = 0.2 ( 1/2 der Nominalgeschwindigkeit) see calculator
- Der eingebaute Encoder kann die Drehzahl messen, die Geschwindigkeit und den Weg feststellen.
- 24V (Laststrom ca. 1A)
Der linke Getriebe-Motor wird wie folgt an das Protector Board angeschlossen:
Motor Anschluss (linker Motor):
Motor (black) ==== Protector board Motor_1_OUT(1) Motor (red) ==== Protector board Motor_1_OUT(2)
Für den rechten Motor entsprechend an Protector board Motor_2_OUT(1,2) anschliessen.
Anschluss Odometrie der Getriebemotoren
Der im Ardumower-Getriebe-Motor eingebaute Encoder hilft dem Ardumower die Drehzahl bzw. zurückgelegte Distanz zu ermitteln. Hier siehst Du wie die Odometrie der Motoren an das PCB angeschlossen wird.
Motor Odometrie Anschluss (linker Motor):
Motor (brown) ---- PCB VCC Motor (green) ---- PCB GND Motor (blue) ---- PCB OdometryLeft (3) Motor (purple) ---- PCB OdometryLeft (4)
Für den rechten Motor entsprechend an "PCB OdometryRight" anschliessen.
WICHTIG: Bei PCB v0.5/1.2 fehlen die Pull-up Widerstände! Du musst sie nachträglich am PCB wie folgt ergänzen:
PCB OdometryLeft(3) --- 4.7k --- 5v PCB OdometryLeft(4) --- 4.7k --- 5v
Anschluss Mähmotor
Eigenschaften des Ardumower-Mähmotors:
- schnell genug um den Rasen zu schneiden (3150 U/min)
- genügend Drehmoment (140 mNm / 46 W)
- leises Mähen (man hört ihn kaum)
- 24V, Laststrom ~1.0A (L=2.8mH, R=1.9ohm)
Es wird ein MC33926 Motortreiber in Parallelschaltung zur Ansteuerung des Mähmotors verwendet.
Sicherheitshinweis: Entferne zur Sicherheit stets die Messer bei deinen ersten Tests!
Der Mähmotor wird wie folgt an das Protector board angeschlossen:
Motor (black) ==== Protector board Motor_1_OUT(1) Motor (red) ==== Protector board Motor_1_OUT(2)
Reduzierung von Motorstörungen
Folgende Anleitung zeigt wie Du Motorstörungen reduzieren kannst.
Bluetooth-Modul
Am Roboter wird das Bluetooth-Modul HC-05 verwendet, welches das das Serial Port Profil (SPP) unterstützt. SPP verwendet das Bluetooth Service Discovery Protocol (SDP) und das RFCOMM protocol.
Bluetooth HC-05
Zur Programmierung wird der Key-Pin des BT-Modules mit 3,3V vom Arduino verbunden und danach die Verbindung wieder getrennt.
Wiring:
Bluetooth HC05 VCC --- PCB VCC Bluetooth HC05 GND --- PCB GND Bluetooth HC05 TX --- PCB RX Bluetooth HC05 RX --- PCB TX
Besonderheiten: Je nach Lieferant wird das HC-05 Modul mit 5 Volt VCC betrieben; Aufschrift "Power 3.6-6V"(JP 8 anstelle von JP 9 setzen). Sofern sich am Pin "EN" ein Microtaster befindet (siehe Foto), so muss dieser während der Konfiguration gedrückt sein, da ansonsten das Modul nicht erkannt wird. Key-Pin muss wie beschrieben auf +3,3 Volt gesetzt sein (JP 2). Rx/Tx laufen auch hier mit 3,3 Volt.
- pfodApp: Jetzt kann die APP pfodApp/ArduRemote gestartet werden und sich mit dem Ardumower verbinden.
- Nach erfolgreichem Verbinden leuchtet die Diode D8.
Ladegerät
Hier siehst Du wie der Ardumower-Akku geladen wird. Falls Du keine Ladestation verwenden möchtest (oder für Deine ersten Versuche) kannst Du das Ladegerät direkt an den Ardumower anschliessen.
Wir benutzen ein Lithium Ion e-bike Ladegerät (29.4V, 1.5A Ladestrom-Begrenzung) das über den Marotronics-Shop shop bezogen werden kann . Das Ladegerät wird in einem geschützten Bereich untergebracht (z.B. im Haus) und mit der Ladestation verbunden. Das Ladegerät sollte folgendes leisten( hier für Lithium-Ionen-Zellen, bei Bleiakkus ist es ähnlich aber weniger kritisch):
- Laden des Akkupacks über dei Ladeanschlüsse des Roboters
- Einhaltung der maximalen Ladespannung (Ladeschluss-Spannung)
- Einhaltung dess maximalen Ladestroms (Ladestrom-Begrenzung)
Wenn du ein vorhandenes Ladegerät benutzt, sind diese Anforderungen mit höchstwahrscheinlich erfüllt.
Leistungsbilanz
- 2 x Getriebemotor jeder 1A (unter Last): 2A, 27V (gemessen mit max. 80% Genauigkeit des Motortreibers)
- 1 x Mähmotor 1A (unter normaler Last): 1A, 27V (gemessen mit max. 80% Genauigkeit des Motortreibers)
- Board: 1A, 5 Volt (nicht gemessen)
Insgesamt: 3A * 27V + 1A * 5V = 81W + 5W = 86W
Akku
Als Akku wird ein 'Sony Konion 7S2P' Lithium Ion Akkupack (Sony Konion US18650V3 2250 mAh cells, Li-Mn), 29.4V x 4500 mAh = 132 Wh, 500 Ladezyklen, 126 x 36 x 65 mm (LBH) verwendet.
Die Mähzeit beträg mit den Ardumower-Motoren ungefähr 1,5 Stunden (132 Wh / 86W).
Akku Lade-/Entladebedingungen für optimale Lebensdauer:
- Ladeschlussspannung pro Zelle: max 4.15V ( 0.3A - 0.1A Rest-Ladestrom)
- minimale Entladespannung: min 3.1V
Standby-Aus/ Unterspannungsschutz
Der Ardumower kann um einem Unterspannungsschutz erweitert werden. Es gibt zwei Gründe für einen Batterie-Schalter (standby-off mechanism):
1. Grund: Wenn der Roboter nicht innerhalb von 5 min startet,sollte der Akku abgeschaltet werden, um Strom zu sparen.
2. Grund: Moderne Akkus sollten nicht komplett entladen werden. Wenn der Roboter aus irgend einem Grund nicht aufgeladen werden kann und die Akkuspannung unter einen bestimmten Grenzwert fällt, sollte er in der Lage sein, sich selbst abzuschalten (Unterspannungsschutz)
Ladestation
Der Roboter findet seine Ladestation, wo er wieder aufgeladen wird mit Hilfe der Perimeter-Schleife. Er fährt also solange in Uhrzeiger-Richtung an der Schleife entlang bis er eine Ladespannung an den Ladeanschlüssen feststellt. Hier stoppt der Roboter und lädt seinen Akku wieder auf. Über den Ladestrom/Standby-Strom erkennt der Schleifensender dass der Roboter in der Station steht und kann dann den Schleifensender abschalten.
Hier siehst Du wie der Ardumower mit einer Ladestation geladen wird: